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Java NIO与IO 区别和比较

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 本文将通过一些实例来简单介绍NIO库提供的一些新特性:非阻塞I/O,字符转换,缓冲以及通道。

一. 介绍NIO
NIO包(java.nio.*)引入了四个关键的抽象数据类型,它们共同解决传统的I/O类中的一些问题。

1. Buffer:它是包含数据且用于读写的线形表结构。其中还提供了一个特殊类用于内存映射文件的I/O操作。
2. Charset:它提供Unicode字符串影射到字节序列以及逆影射的操作。
3. Channels:包含socket,file和pipe三种管道,它实际上是双向交流的通道。
4. Selector:它将多元异步I/O操作集中到一个或多个线程中(它可以被看成是Unix中select()函数或Win32中WaitForSingleEvent()函数的面向对象版本)。
二. 回顾传统
在介绍NIO之前,有必要了解传统的I/O操作的方式。以网络应用为例,传统方式需要监听一个ServerSocket,接受请求的连接为其提供服务(服务通常包括了处理请求并发送响应)图一是服务器的生命周期图,其中标有粗黑线条的部分表明会发生I/O阻塞。

图一

可以分析创建服务器的每个具体步骤。首先创建ServerSocket
ServerSocket server=new ServerSocket(10000);

然后接受新的连接请求 
Socket newConnection=server.accept();

对于accept方法的调用将造成阻塞,直到ServerSocket接受到一个连接请求为止。一旦连接请求被接受,服务器可以读客户socket中的请求。
InputStream in = newConnection.getInputStream();
InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in);
BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader);
Request request = new Request();
while(!request.isComplete()) {
String line = buffer.readLine();
request.addLine(line);
}
这样的操作有两个问题,首先BufferedReader类的readLine()方法在其缓冲区未满时会造成线程阻塞,只有一定数据填满了缓冲区或者客户关闭了套接字,方法才会返回。其次,它回产生大量的垃圾,BufferedReader创建了缓冲区来从客户套接字读入数据,但是同样创建了一些字符串存储这些数据。虽然BufferedReader内部提供了StringBuffer处理这一问题,但是所有的String很快变成了垃圾需要回收。
同样的问题在发送响应代码中也存在
Response response = request.generateResponse();
OutputStream out = newConnection.getOutputStream();
InputStream in = response.getInputStream()

int ch
while(-1 != (ch = in.read())) {
out.write(ch);
}
newConnection.close();
类似的,读写操作被阻塞而且向流中一次写入一个字符会造成效率低下,所以应该使用缓冲区,但是一旦使用缓冲,流又会产生更多的垃圾。
传统的解决方法
通常在Java中处理阻塞I/O要用到线程(大量的线程)。一般是实现一个线程池用来处理请求,如图二


图二
线程使得服务器可以处理多个连接,但是它们也同样引发了许多问题。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间,耗费很大,而且很多时间是浪费在阻塞的I/O操作上,没有有效的利用CPU。
三. 新I/O
1.
 Buffer
传统的I/O不断的浪费对象资源(通常是String)。新I/O通过使用Buffer读写数据避免了资源浪费。Buffer对象是线性的,有序的数据集合,它根据其类别只包含唯一的数据类型。

java.nio.Buffer 类描述 
java.nio.ByteBuffer 包含字节类型。 可以从ReadableByteChannel中读在 WritableByteChannel中写
 
java.nio.MappedByteBuffer 包含字节类型,直接在内存某一区域映射
 
java.nio.CharBuffer 包含字符类型,不能写入通道
 
java.nio.DoubleBuffer 包含double类型,不能写入通道
 
java.nio.FloatBuffer 包含float类型
 
java.nio.IntBuffer 包含int类型
 
java.nio.LongBuffer 包含long类型
 
java.nio.ShortBuffer 包含short类型
 
可以通过调用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一个Buffer。特别的,你可以创建MappedBytesBuffer通过调用FileChannel.map(int mode,long position,int size)。直接(direct)buffer在内存中分配一段连续的块并使用本地访问方法读写数据。非直接(nondirect)buffer通过使用Java中的数组访问代码读写数据。有时候必须使用非直接缓冲例如使用任何的wrap方法(如ByteBuffer.wrap(byte[]))在Java数组基础上创建buffer。

2. 字符编码
向ByteBuffer中存放数据涉及到两个问题:字节的顺序和字符转换。ByteBuffer内部通过ByteOrder类处理了字节顺序问题,但是并没有处理字符转换。事实上,ByteBuffer没有提供方法读写String。
Java.nio.charset.Charset处理了字符转换问题。它通过构造CharsetEncoder和CharsetDecoder将字符序列转换成字节和逆转换。
3. 通道(Channel)
你可能注意到现有的java.io类中没有一个能够读写Buffer类型,所以NIO中提供了Channel类来读写Buffer。通道可以认为是一种连接,可以是到特定设备,程序或者是网络的连接。通道的类等级结构图如下



图三
图中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分别用于读写。
GatheringByteChannel可以从使用一次将多个Buffer中的数据写入通道,相反的,ScatteringByteChannel则可以一次将数据从通道读入多个Buffer中。你还可以设置通道使其为阻塞或非阻塞I/O操作服务。
为了使通道能够同传统I/O类相容,Channel类提供了静态方法创建Stream或Reader
4.
 Selector
在过去的阻塞I/O中,我们一般知道什么时候可以向stream中读或写,因为方法调用直到stream准备好时返回。但是使用非阻塞通道,我们需要一些方法来知道什么时候通道准备好了。在NIO包中,设计Selector就是为了这个目的。SelectableChannel可以注册特定的事件,而不是在事件发生时通知应用,通道跟踪事件。然后,当应用调用Selector上的任意一个selection方法时,它查看注册了的通道看是否有任何感兴趣的事件发生。图四是selector和两个已注册的通道的例子

图四
并不是所有的通道都支持所有的操作。SelectionKey类定义了所有可能的操作位,将要用两次。首先,当应用调用SelectableChannel.register(Selector sel,int op)方法注册通道时,它将所需操作作为第二个参数传递到方法中。然后,一旦SelectionKey被选中了,SelectionKey的readyOps()方法返回所有通道支持操作的数位的和。SelectableChannel的validOps方法返回每个通道允许的操作。注册通道不支持的操作将引发IllegalArgumentException异常。下表列出了SelectableChannel子类所支持的操作。

ServerSocketChannel OP_ACCEPT 
SocketChannel OP_CONNECT, OP_READ, OP_WRITE 
DatagramChannel OP_READ, OP_WRITE 
Pipe.SourceChannel OP_READ 
Pipe.SinkChannel OP_WRITE
四. 举例说明
1. 简单网页内容下载
这个例子非常简单,类SocketChannelReader使用SocketChannel来下载特定网页的HTML内容。
package examples.nio;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.io.IOException;
public class SocketChannelReader{

private Charset charset=Charset.forName("UTF-8");//
创建UTF-8字符集
private SocketChannel channel;
public void getHTMLContent(){
try{
connect();
sendRequest();
readResponse();
}catch(IOException e){
System.err.println(e.toString());
}finally{
if(channel!=null){
try{
channel.close();
}catch(IOException e){}
}
}
}
private void connect()throws IOException{//
连接到CSDN
InetSocketAddress socketAddress=
new InetSocketAddress("http://www.csdn.net",80/);
channel=SocketChannel.open(socketAddress);
//使用工厂方法open创建一个channel并将它连接到指定地址上

//相当与SocketChannel.open().connect(socketAddress);调用
}
private void sendRequest()throws IOException{
channel.write(charset.encode("GET "
+"/document"
+"\r\n\r\n"));//
发送GET请求到CSDN的文档中心
//使用channel.write方法,它需要CharByte类型的参数,使用
//Charset.encode(String)方法转换字符串。
}
private void readResponse()throws IOException{//读取应答
ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);//创建1024字节的缓冲
while(channel.read(buffer)!=-1){
buffer.flip();//flip
方法在读缓冲区字节操作之前调用。
System.out.println(charset.decode(buffer));
//
使用Charset.decode方法将字节转换为字符串
buffer.clear();//清空缓冲
}
}
public static void main(String [] args){
new SocketChannelReader().getHTMLContent();
}
2
. 简单的加法服务器和客户机
服务器代码
package examples.nio;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.IntBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.io.IOException;
/**
* SumServer.java
*
*
* Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003
*
* @author starchu1981
* @version 1.0
*/
public class SumServer {
private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8);
private IntBuffer _intBuffer=_buffer.asIntBuffer();
private SocketChannel _clientChannel=null;
private ServerSocketChannel _serverChannel=null;
public void start(){
try{
openChannel();
waitForConnection();
}catch(IOException e){
System.err.println(e.toString());
}
}
private void openChannel()throws IOException{
_serverChannel=ServerSocketChannel.open();
_serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000));
System.out.println("
服务器通道已经打开");
}
private void waitForConnection()throws IOException{
while(true){
_clientChannel=_serverChannel.accept();
if(_clientChannel!=null){
System.out.println("
新的连接加入");
processRequest();
_clientChannel.close();
}
}
}
private void processRequest()throws IOException{
_buffer.clear();
_clientChannel.read(_buffer);
int result=_intBuffer.get(0)+_intBuffer.get(1);
_buffer.flip();
_buffer.clear();
_intBuffer.put(0,result);
_clientChannel.write(_buffer);
}
public static void main(String [] args){
new SumServer().start();
}
} // SumServer

客户代码
package examples.nio;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.IntBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.io.IOException;
/**
* SumClient.java
*
*
* Created: Thu Nov 06 11:26:06 2003
*
* @author starchu1981
* @version 1.0
*/
public class SumClient {
private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8);
private IntBuffer _intBuffer;
private SocketChannel _channel;
public SumClient() {
_intBuffer=_buffer.asIntBuffer();
} // SumClient constructor

public int getSum(int first,int second){
int result=0;
try{
_channel=connect();
sendSumRequest(first,second);
result=receiveResponse();
}catch(IOException e){System.err.println(e.toString());
}finally{
if(_channel!=null){
try{
_channel.close();
}catch(IOException e){}
}
}
return result;
}
private SocketChannel connect()throws IOException{
InetSocketAddress socketAddress=
new InetSocketAddress("localhost",10000);
return SocketChannel.open(socketAddress);
}

private void sendSumRequest(int first,int second)throws IOException{
_buffer.clear();
_intBuffer.put(0,first);
_intBuffer.put(1,second);
_channel.write(_buffer);
System.out.println("
发送加法请求 "+first+"+"+second);
}

private int receiveResponse()throws IOException{
_buffer.clear();
_channel.read(_buffer);
return _intBuffer.get(0);
}
public static void main(String [] args){
SumClient sumClient=new SumClient();
System.out.println("
加法结果为 :"+sumClient.getSum(100,324));
}
} // SumClient

3. 非阻塞的加法服务器
首先在openChannel方法中加入语句
_serverChannel.configureBlocking(false);//设置成为非阻塞模式
重写WaitForConnection方法的代码如下,使用非阻塞方式 
private void waitForConnection()throws IOException{
Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector();
/*在服务器套接字上注册selector并设置为接受accept方法的通知。
这就告诉Selector,套接字想要在accept操作发生时被放在ready表
上,因此,允许多元非阻塞I/O发生。*/
SelectionKey acceptKey = ssc.register(acceptSelector, 
SelectionKey.OP_ACCEPT);
int keysAdded = 0;

/*select方法在任何上面注册了的操作发生时返回
*/
while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {
// 某客户已经准备好可以进行I/O操作了,获取其ready键集合

Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys();
Iterator i = readyKeys.iterator();
// 遍历ready键集合,并处理加法请求
while (i.hasNext()) {
SelectionKey sk = (SelectionKey)i.next();
i.remove();
ServerSocketChannel nextReady = 
(ServerSocketChannel)sk.channel();
// 
接受加法请求并处理它
_clientSocket = nextReady.accept().socket();
processRequest();
_clientSocket.close();
}
}
}
参考资料
1 <Master Merlin's new I/O classes> From <http://www.javawordl.com/>
2.
 J2SE1.4.2 API Specification From <http://java.sun.com/>
3. 
<Working with SocketChannels> From <http://developer.java.sun.com/developer>
4. NIO Examples From <http://java.sun.com/>
 
Java NIO编程 提供了对块IO的支持,使用块IO的好处是效率更高 

1.   基本 概念 

IO 是主存和外部设备 ( 硬盘、终端和网络等 ) 拷贝数据的过程。 IO 是操作系统的底层功能实现,底层通过 I/O 指令进行完成。 

所有语言运行时系统提供执行 I/O 较高级别的工具。 (c 的 printf scanf,java 的面向对象封装 ) 

2.    Java 标准 io 回顾 

Java 标准 IO 类库是 io 面向对象的一种抽象。基于本地方法的底层实现,我们无须关注底层实现。 InputStream\OutputStream( 字节流 ) :一次传送一个字节。 Reader\Writer( 字符流 ) :一次一个字符。 
3.    nio 简介 
nio 是 java New IO 的简称,在 jdk1.4 里提供的新 api 。 Sun 官方标榜的特性如下: 

–     为所有的原始类型提供 (Buffer) 缓存支持。 
–     字符集编码解码解决方案。 
–     Channel :一个新的原始 I/O 抽象。 
–     支持锁和内存映射文件的文件访问接口。 
–     提供多路 (non-bloking) 非阻塞式的高伸缩性网络 I/O 。 
本文将围绕这几个特性进行学习和介绍。 

4.   Buffer&Chanel 

Channel 和 buffer 是 NIO 是两个最基本的数据类型抽象。 
Buffer: 

–        是一块连续的内存块。 
–        是 NIO 数据读或写的中转地。 
Channel: 
–        数据的源头或者数据的目的地 
–        用于向 buffer 提供数据或者读取 buffer 数据 ,buffer 对象的唯一接口。 

–         异步 I/O 支持 

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